Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Штамповка компактных заготовок

28.01.2020

Изделие требуемой конфигурации часто получают штамповкой прутковой заготовки, полученной путем экструзии или горячего изостатического прессования. Температурный интервал, в пределах которого жаропрочный сплав может быть подвергнут горячей обработке давлением, относительно невелик и зависит от состава сплава. Для жаропрочных сплавов на основе никеля температурный интервал деформируемости в горячем состоянии сужается при переходе от сплавов с малым объемным содержанием у'-фазы к сплавам с повышенным ее содержанием (рис. 3.25). Для большей части операций штамповки этот интервал определяется температурой начала плавления, с одной стороны, и температурой у'-сольвуса, с другой. С увеличением объемной доли у'-фазы температура начала плавления сплава понижается, а температура у'-сольвуса повышается. Одновременно повышается температура рекристаллизации и снижается пластичность. Ширина интервала технологической пластичности может составлять, таким образом, всего 10 °С. Дополнительные трудности возникают вследствие адиабатического разогрева заготовки, особенно существенного при повышенных скоростях деформации, а также захолаживания материала стенками штампа.
Штамповка компактных заготовок

Существуют два основных подхода к штамповке жаропрочных сплавов:

1. Высокоскоростное деформирование при малой продолжительности контакта между заготовкой и инструментом. Этот метод допускает использование необогреваемых штампов, однако требует повышенных усилий, и соответственно, более мощных прессов или молотов.

2. Деформирование с малыми скоростями в обогреваемых штампах при минимальном теплообмене между заготовкой и инструментом.

Таким образом, при выборе оптимальных условий горячей деформации жаропрочных сплавов необходимо учитывать всю совокупность технологических факторов, включающую:

— характеристики пластического течения заготовки, зависящие от микроструктуры, Т, степени деформации и скорости деформации;

— свойства материала матрицы, определяемые составом, T и величиной контактных напряжений;

— свойства смазки в зазоре между заготовкой и стенками штампа, выражаемые коэффициентом трения и коэффициентом теплопередачи;

— характеристики штамповочного оборудования;

— микроструктуру штампованной детали и связанные с нею механические свойства.

Для подбора требуемого сочетания технологических параметров можно использовать результаты испытаний на технологическую пластичность. Существует несколько видов таких испытаний, позволяющих определить температурный интервал обработки давлением, а также величину пластичности и прочности материала в пределах этого интервала. Чаще других используются схемы испытаний на сжатие, скручивание, растяжение, а также испытания по методу Глибла. Испытания на сжатие наиболее точно моделируют реальные условия штамповки, однако не дают непосредственной информации о пластичности материала. При испытаниях на скручивание один конец образца жестко закреплен, а другой вращается до тех пор, пока не произойдет разрушение образца. Прочность определяется величиной скручивающего момента, в то время как мерой пластичности служит угол закручивания или число оборотов до разрушения. В испытаниях по методу Глибла, применяемых для моделирования условий сварки и деформации металла, образец нагревают по заданному режиму прямым пропусканием тока, а затем подвергают растяжению. Этот метод имеет тот недостаток, что получаемые данные относятся к ограниченному диапазону степеней деформации.

В порошковых жаропрочных сплавах, благодаря присущей им мелкозернистой структуре, могут достигаться большие значения высокотемпературной пластичности, которые еще более возрастают при понижении скорости деформации. При определенных условиях в этих материалах возможно даже проявление сверхпластичности. Необходимость применения малых скоростей деформации обусловила создание совершенно новых методов штамповки, таких как изотермическая штамповка, штамповка в условиях сверхпластичности и штамповка в обогреваемых штампах. На рис. 3.26 показаны температурно-временные режимы различных вариантов штамповки жаропрочных сплавов.

Штамповка в обогреваемых штампах. Правильность выбора того или иного варианта штамповки определяется как техническими, так и экономическими обстоятельствами. Один и тот же конечный продукт можно получить (и зачастую получают) разными способами. Существуют три основных метода штамповки порошковых жаропрочных сплавов: 1) традиционная горячая штамповка в относительно холодных штампах; 2) штамповка в обогреваемых штампах, при которой T штампа на 200—400 °C ниже T заготовки, и 3) изотермическая штамповка, при которой температуры штампа и заготовки равны.

В настоящее время конфигурация штамповок для дисков авиационных двигателей определяется возможностями ультразвуковой дефектоскопии, хотя применяемые методы деформации с малыми скоростями позволяют получать более точные и легкие заготовки. Прошедшие ультразвуковой контроль штампованные заготовки подвергают механической обработке для удаления лишнего металла. Если же удастся разработать более гибкие методы ультразвукового контроля, то метод штамповки в условиях сверхпластичности позволит получать изделия очень сложной формы, не нуждающиеся в дополнительной обработке. Это резко снизит расход материала и затраты на механическую обработку. Наглядной иллюстрацией этого положения может служить цельноштампованный (заодно с лопатками) турбинный диск (рис. 3.27), который практически не требует механической обработки.

После создания фирмой «Pratt and Whitney» процесса Геторайзинг фирмы многих стран мира стали устанавливать у себя лабораторные и промышленные прессы, пригодные для работы с обогреваемыми штампами.

Так, гидравлический пресс для изотермической штамповки оснащен прессовым инструментом из сплава TZM. Заготовка может нагреваться в отдельной печи, но в этом случае ее вводят в камеру через вакуумный шлюз; применение вакуума или инертного газа необходимо для защиты от окисления молибденового сплава, из которого изготовлен штамп. Используемая система низкочастотного индукционного обогрева штампа обеспечивает наилучшее распределение T по его сечению. Для предотвращения потерь тепла путем теплопередачи от штампа к прессу служит система экранов (набор дисков из никелевого сплава и жаростойкой стали с низкой теплопроводностью), на которых T постепенно падает от 1100°C почти до комнатной. На рис. 3.28 показана конструкция штампа из сплава TZM для получения цельноштампованных турбинных колес.

При штамповке в обогреваемых штампах успех в большой степени зависит от правильного выбора высокотемпературной смазки. Штамповка сплавов на основе никеля в обогреваемых штампах из никелевого сплава проводится с использованием смазок на основе стекла, поскольку эти смазки обеспечивают минимальный коэффициент трения. При изотермической штамповке чаще всего применяется нитрид бора (для штамповки никелевых сплавов в штампах из молибденового сплава TZM). Точный состав смазки представляет собой тщательно охраняемый производственный секрет. Правильно выбранная смазка должна выполнять две функции: во-первых, изолировать заготовку от матрицы, препятствуя их свариванию, образованию задиров и других повреждений стенок матрицы, и, во-вторых, уменьшать силы трения за счет снижения коэффициента трения.

Величина укова при изотермической штамповке и штамповке в обогреваемых штампах ограничивается уменьшением толщины и последующим нарушением целостности смазывающей пленки.

Срок службы штампа. Высокая стоимость обогреваемых штампов для изотермической штамповки определяет необходимость тщательного изучения факторов, влияющих на срок их службы. Поскольку проведение натурных испытаний требует больших затрат, были предложены другие методы оценки стойкости штампов. Один из возможных путей определения эксплуатационных свойств материала штампа состоит в моделировании его реального рабочего цикла (в координатах P—T—t) при испытаниях на малоцикловую усталость. Математическое моделирование с помощью метода конечных элементов позволяет выявить зоны концентрации напряжений в штампе заданной конфигурации. Эти напряжения могут быть затем воспроизведены при испытании по двухточечной схеме образца с надрезом, имеющим тот же радиус кривизны, что и данный элемент матрицы.

Условия штамповки имитируют, прикладывая к образцу определенную нагрузку в течение заданного времени выдержки и определяя число циклов до зарождения трещины N как функцию коэффициента интенсивности напряжений у надреза AK. Результаты таких испытаний представлены на рис. 3.29, а, из которого видно, что при значении коэффициента АК=30 МПа*м1/2 (близком к реально наблюдаемым) число циклов (т. е. операций штамповки) ДО зарождения трещины близко к 10в3. Поскольку не всегда можно избежать зарождения трещин в пресс-инструменте,

при оценке срока службы этого инструмента большую роль играет также скорость их роста. На рис. 3.29, б приведены скорости роста трещины dA/dN в функции коэффициента интенсивности циклических напряжений в вершине трещины АК1. Считая, что АК1 = 30 MH*м -3/2 и предполагая, что эта величина остается практически постоянной на протяжении первых нескольких миллиметров роста трещины, мы приходим к заключению, что при выдержке 5 мин/цикл скорость роста трещины в сплаве TZM не должна превышать 1 мкм/цикл. Это означает, что несколько сотен циклов штамповки можно осуществить прежде, чем трещина достигнет критической длины. При 925 °C сплав IN 100 как материал матрицы сильно уступает сплаву TZM, о чем свидетельствуют меньшее число циклов до зарождения трещины и более высокие скорости ее роста.

Моделирование процесса штамповки. Весьма перспективен метод количественного исследования поведения заготовки и материала штампа при обычной и горячей изотермической штамповке с помощью математических моделей процесса. Цель моделирования процесса течения металла состоит в предсказании физических явлений, протекающих при штамповке. При заданных составе материала и режимах деформации — термообработки наиболее важными параметрами являются напряжение течения и технологическая пластичность. Кроме того, на процессы течения и разрушения металла оказывают влияние температурные градиенты в деформируемом материале, обусловленные его местным захолаживанием стенками матрицы. Рис. 3.30 иллюстрирует возможности модели процесса на простом примере горячей осадки заготовки (сплав NIM 80А, объем 1257 мм3, Оисх = 10 мм, hисх = 16 мм) между двумя плоскими штампами (сплав IN 100), нагретыми до разных температур. Легко видеть, что при заданном усилии (максимальное усилие пресса 150 кН) предельная степень деформации сжатия возрастает с увеличением T штампа и достигает максимального значения при изотермических условиях. При низких температурах штампа для увеличения предельной деформации необходимо использовать высокие скорости деформирования. Помимо прочего, модель позволяет определить область значений технологических параметров, при которых штамповка в обогреваемых штампах дает лучшие результаты, чем изотермическая штамповка.

Практика штамповки порошковых жаропрочных сплавов. Выбор того или иного метода штамповки конкретного сплава определяется прежде всего характером термомеханической обработки, которой требует данный сплав, но зависит также от оборудования и практического опыта, которыми располагает фирма. Штампованные заготовки из сплава LC Astroloy получали самыми разными способами, тогда как для формования пришедшего ему на смену сплава IN 100 используется только процесс Геторайзинг, т. е. изотермическая штамповка в условиях сверхпластичности. Изотермическая штамповка не дает возможности получить микроструктуру, которой обладает материал после теплой обработки давлением. В то же время, сплав Rene 95, разработанный фирмой «General Electric», требует применения таких методов штамповки, при которых в той или иной мере создаются условия для теплой обработки, необходимой для формирования микроструктуры типа ожерелье. Эта микроструктура может быть получена при штамповке в холодных или обогреваемых штампах. Основное преимущество обогреваемых штампов в применении к этим сплавам заключается в резком повышении коэффициента использования металла. На рис. 3.31 приведены два примера получения турбинных дисков с помощью различных методов штамповки. Они демонстрируют уменьшение веса исходной заготовки при использовании обогреваемых штампов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: